Räumlich und zeitlich aufgelöste Untersuchung der Mechanik der Phagozytose

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Kreß
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313448779

Zellen können extrazelluläre Objekte durch Phagozytose internalisieren. Dieser Prozess ist evolutionär hoch konserviert und spielt eine fundamentale Rolle für das Immunsystem von Säugetieren. Bakterien, die an Fc gamma-Rezeptoren in der Membran von Makrophagen binden, können intrazelluläre Signalkaskaden aktivieren, die unter anderem zu einer verstärkten Polymerisierung von Aktinfilamenten und einer verstärkten Aktivität von Myosin II Motoren führen. Als Resultat dieser Prozesse wachsen Zellausstülpungen (engl. Phagocytic Cups) um die Bakterien, welche in der Folge in die Zelle hineingezogen und aufgenommen und in der Regel intrazellulär verdaut werden. Obwohl eine große Anzahl von an der Phagozytose beteiligten Molekülen mittlerweile bekannt ist, ist die Mechanik dieses Prozesses noch weitgehend unverstanden. Da es bislang noch keine Messungen gab, die räumlich aufgelöst die mechanischen Eigenschaften von Zellen bei der Phagozytose untersucht haben, ist unbekannt, wie stark mechanische Zellparameter während dieses Prozesses räumlich variieren. Basierend auf in vitro Untersuchungen und theoretischen Modellen von Zytoskelett-Netzwerken, stellen wir die Hypothesen auf, dass es bei der Phagozytose in einem räumlich abgegrenzten Bereich um die Phagocytic Cup zu einem transienten Anstieg der Steifheit der Zelle kommt, welcher mit zunehmendem Abstand von der Cup abnimmt. Des Weiteren nehmen wir an, dass Aktinpolymerisierung und Myosinaktivität verantwortlich für diesen Anstieg sind und Aktin- und Myosin-Konzentrationen räumlich und zeitlich mit den gemessenen mechanischen Eigenschaften der Zelle korrelieren. Wir möchten diese Hypothesen testen, indem wir funktionalisierte Mikropartikel mit holographischen optischen Pinzetten fangen und einzeln oder gemeinsam in wohldefinierten Abständen zueinander an die Membran einzelner Makrophagen binden. Als künstliche Bakterien verwenden wir hierbei Partikel, die mit Immunoglobulin G Antikörpern beschichtet sind. Andere Beschichtungen dienen dazu, inerte Sondenpartikel herzustellen, die nicht von Makrophagen internalisiert werden. Mithilfe von blinking optical tweezers werden nach der Anbindung mechanische Eigenschaften der Zellen räumlich und zeitlich aufgelöst gemessen. Mithilfe von biochemischen Inhibitoren werden die Aktivitäten wesentlicher Moleküle wie z.B. Aktin und Myosin II moduliert, um deren Einfluss auf die gemessenen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Darüber hinaus werden die Verteilungen dieser Moleküle räumlich und zeitlich aufgelöst mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Durch die Tests der oben genannten Hypothesen können charakteristische Längen- und Zeitskalen gemessen werden, auf denen die mechanischen Eigenschaften von Zellen während der Phagozytose variieren. Diese Messungen erlauben es, auf in vitro Experimenten und theoretischen Modellen basierende Vorhersagen in einem evolutionär stark konservierten und medizinisch hoch relevanten zellulären Prozess zu testen..

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen